请问nand flash和nor flash有啥不同？

Posted 2023-04-25

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问题描述:

包括原理，用法，

解析:

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。

相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。

NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。

性能比较

flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。

● NOR的读速度比NAND稍快一些。

● NAND的写入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

接口差别

NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。

NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。

NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

容量和成本

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。

NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

可*性和耐用性

采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可*性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可*性。

寿命(耐用性)

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

位交换

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。

一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。

当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可*性。

坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。

NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可*的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。

由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。

在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

软件支持

当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Sofare System、Symbian和Intel等厂商所采用。

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

NOR FLASH和NAND FLASH基本结构和特点

　　非易失性存储元件有很多种，如EPROM、EEPROM、NOR FLASH和NAND FLASH，前两者已经基本被淘汰了，因此我仅关注后两者，本文对FLASH的基本存储单元结构、写操作、擦除操作和读操作的技术进行了简单介绍，对了NOR和NAND由存储结构决定的特性和应用场合的差异，对后续的硬件设计和驱动编程起到铺垫作用。

1 FLASH基本存储单元---浮栅场效应管

　　NOR FLASH和NAND FLASH都是使用浮栅场效应管(Floating Gate FET)作为基本存储单元来存储数据的，浮栅场效应管共有4个端电极，分别是为源极（Source）、漏极（Drain）、控制栅极（Control Gate）和浮置栅极（Floating Gate），前3个端电极的作用于普通MOSFET是一样的，区别仅在于浮栅，FLASH就是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，当向浮栅注入电荷后，D和S之间存在导电沟道，从D极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，D和S间没有导电沟道，从D极读到‘1’，原理示意图见图1.1[1],图1.2是一个实际浮栅场效应管的剖面图。

注：SLC可以简单认为是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，MLC则是要利用浮栅中电荷的多少来表征‘00’，‘01’，‘10’和‘11’的，TLC与MLC相同。

 

2 FLASH基本存储单元的操作---写/擦除/读

　　FLASH中，常用的向浮栅注入电荷的技术有两种---热电子注入(hot electron injection)和F-N隧道效应(Fowler Nordheim tunneling)；从浮栅中挪走电荷的技术通常使用F-N隧道效应(Fowler Nordheim tunneling)，基本原理见图2[2]。

　　写操作就是向浮栅注入电荷的过程，NOR FLASH通过热电子注入方式向浮栅注入电荷（这种方法的电荷注入效率较低，因此NOR FLASH的写速率较低），NAND FLASH则通过F-N隧道效应向浮栅注入电荷。FLASH在写操作之前，必须先将原来的数据擦除（即将浮栅中的电荷挪走），也即FLASH擦除后读出的都是‘1’。

　　擦除操作就是从浮栅中挪走电荷的过程，NOR FLASH和NAND FLASH都是通过F-N隧道效应将浮栅中的电荷挪走的。

　　读出操作时，控制栅极上施加的电压很小，不会改变浮栅中的电荷量，即读出操作不会改变FLASH中原有的数据，也即浮栅有电荷时，D和S间存在导电沟道，从D极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，D和S间没有导电沟道，从D极读到‘1’。

3 NOR FLASH 和NAND FLASH的结构和特性

3.1 NOR FLASH的结构和特性

　　NOR FLASH的结构原理图见图3.1，可见每个Bit Line下的基本存储单元是并联的，当某个Word Line被选中后，就可以实现对该Word的读取，也就是可以实现位读取（即Random Ａccess），且具有较高的读取速率，图3.1是一个3*8bit的NOR FLASH的原理结构图，图3.2是沿Bit Line切面的剖面图，展示了NOR FLASH的硅切面示意图，这种并联结构决定了NOR FLASH的很多特性。

           

        

 

（1）基本存储单元的并联结构决定了金属导线占用很大的面积，因此NOR　FLASH的存储密度较低，无法适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于code-storage，不适用于data-storage,见图3.3[3]。

（2）基本存储单元的并联结构决定了NOR FLASH具有存储单元可独立寻址且读取效率高的特性，因此适用于code-storage，且程序可以直接在NOR 中运行（即具有RAM的特性）。

（3）NOR FLASH写入采用了热电子注入方式，效率较低，因此NOR写入速率较低，不适用于频繁擦除/写入场合。

　　最后来个小贴士：NOR  FLASH的中的N是NOT，含义是Floating Gate中有电荷时，读出‘0’，无电荷时读出‘1’，是一种‘非’的逻辑；OR的含义是同一个Bit Line下的各个基本存储单元是并联的，是一种‘或’的逻辑，这就是NOR 的由来。 

3.2 NAND FLASH的结构和特性

　　NAND FLASH的结构原理图见图3.4，可见每个Bit Line下的基本存储单元是串联的，NAND读取数据的单位是Page，当需要读取某个Page时，FLASH 控制器就不在这个Page的Word Line施加电压，而对其他所有Page的Word Line施加电压（电压值不能改变Floating Gate中电荷数量），让这些Page的所有基本存储单元的D和S导通，而我们要读取的Page的基本存储单元的D和S的导通/关断状态则取决于Floating Gate是否有电荷，有电荷时，Bit Line读出‘0’，无电荷Bit Line读出‘1’，实现了Page数据的读出，可见NAND无法实现位读取（即Random Ａccess），程序代码也就无法在NAND上运行。

　　图3.4是一个8*8bit的NAND FLASH的原理结构图，图3.5是沿Bit Line切面的剖面图，展示了NAND FLASH的硅切面示意图，NAND FLASH的串联结构决定了其很多特点.

（1）基本存储单元的串联结构减少了金属导线占用的面积，Die的利用率很高，因此NAND FLASH存储密度高，适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于data-storage，见图3.3[3]。

（2）基本存储单元的串联结构决定了NAND FLASH无法进行位读取，也就无法实现存储单元的独立寻址，因此程序不可以直接在NAND 中运行,因此NAND是以Page为读取单位和写入单位，以Block为擦除单位，见图3.6。

（3）NAND FLASH写入采用F-N隧道效应方式，效率较高，因此NAND擦除/写入速率很高，适用于频繁擦除/写入场合。同时NAND是以Page为单位进行读取的，因此读取速率也不算低（稍低于NOR）。

最后来个小贴士：NAND FLASH的中的N是NOT，含义是Floating Gate中有电荷时，读出‘0’，无电荷时读出‘1’，是一种‘非’的逻辑；AND的含义是同一个Bit Line下的各个基本存储单元是串联的，是一种‘与’的逻辑，这就是NAND 的由来。

3.3 NOR 和NAND的比对

       通过3.1和3.2节对NOR和NAND结构和特点的解析，我们可以得出图3.7[5]和图3.8[5]中的结论，更详细的比对请见参考文献[3]

4 FLASH基本存储单元的可靠性问题

　FLASH的可靠性问题已经超出了本文需要讲解内容的范畴，如有兴趣，请见参考文献[7]

参考文献

[1]  Introduction to Flash Memory   ROBERTO BEZ, EMILIO CAMERLENGHI, ALBERTO MODELLI, AND ANGELO VISCONTI

[2]  FLASH MEMORY TECHNOLOGY

[3]  Two Flash Technologies Compared: NOR vs NAND  Written by: Arie Tal

[4]  http://www.360doc.com/content/06/1120/10/12646_266138.shtml

[5]  NAND vs. NOR Flash Memory Technology Overview  TOSHIBA

[6]  Flash Memory Cells—An Overview

[7]  Reliability issues of flash memory cells